L'objectif de cette thèse est de caractériser par des approches expérimentales et numériques les effets hydrique, mécanique et hydromécanique dus à la désaturation et la resaturation de l'argilite de l'Est, roche hôte du futur laboratoire souterrain de stockage des déchets radioactifs à Bure (France). Nous présentons des approches expérimentales et numériques pour caractériser le phénomène de transfert hydrique dans l'argilite. Une méthode simple d'identification est proposée, en déterminant la diffusivité hydrique linéarisée à partir de mesures pondérales sur des échantillons (tube mince et plaque mince) soumis à des paliers d'humidité suivant un cycle de désaturation-resaturation. Le transfert hydrique est non-linéaire. Pour interpréter ce phénomène, on établit un modèle numérique non linéaire tenant compte des phénomènes physiques (la conduction hydraulique, la diffusion de vapeur, le changement de phase etc.). On étudie ensuite l'évolution du comportement physique et mécanique de la roche argileuse en fonction de l'humidité imposée, suivant un cycle de désaturation-resaturation par paliers successifs. La déformation hydrique, la vitesse de propagation des ondes ultrasoniques, les propriétés élastiques, les caractéristiques de rupture et les phénomènes différés dépendent de l'état hydrique de matériau. L'influence de la désaturation et de la resaturation sur "un modèle réduit de tunnel» est étudiée. Pour mettre en valeur l'anisotropie de la roche, on utilise des tubes épais dont l'axe est parallèle ou perpendiculaire à la stratification. Ces tubes sont soumis à des chargements hydriques par ventilation d'air à hygrométrie variable dans leur trou central. Nous utilisons un modèle poroélastique non-linéaire, pour interpréter les phénomènes hydromécaniques anisotropes observés. On montre que les chargements hydriques peuvent conduire à des ruptures de l'éprouvette qui respectent les directions d'anisotropie de la roche, et qui peuvent être interprétées par le modèle hydromécanique comme une violation d'un critère de rupture en contrainte totale de traction. Finalement, des calculs numériques pour les phénomènes engendrés par la désaturation et la resaturation à l'échelle des ouvrages souterrains sont réalisés, par des modèles numériques calibrés à partir de résultats expérimentaux. Des solutions analytiques et numériques par la méthode des éléments finis sont réalisées pour prévoir l'influence de la désaturation et de la resaturation sur le massif d'argilite dans les galeries souterraines.

Ce travail de thèse s’est inséré dans la problématique du stockage de déchets radioactifs en formation argileuse profonde. Il porte en particulier sur l’étude de la fissuration hydrique induite par la désaturation et resaturation de la roche en paroi des galeries de la station expérimentale de Tournemire (Averyon, France). Cette étude a visé à identifier les déterminismes microstructuraux et minéralogiques de la fissuration hydrique des argilites de Tournemire, en couplant au laboratoire la Corrélation d’Images Numériques (CIN) et la Microscopie Electronique à Balayage (MEB). Deux échantillons d’argilite de Tournemire ont été soumis à des variations d’humidités différentes par chocs et par paliers progressifs. La CIN a permis de mettre en évidence l’influence de l’humidité et de la teneur en eau sur l’amplitude de l’ouverture des fissures et des déformations à différentes échelles. Cette étude a également permis de mettre en lumière l’influence du chargement hydrique sur l’organisation des réseaux de fractures. Une cartographie minéralogique sur un champ plurimillimétrique en haute résolution a été également mise en œuvre au MEB sur ces deux échantillons d’argilites. Cette cartographie a permis d’apporter des données qualitatives et quantitatives sur l’anisotropie microstructurale et minéralogique de la roche argileuse et de proposer une estimation de la surface élémentaire représentative du système grain/matrice pour des zones à tendance argileuse.Le couplage de la CIN avec le MEB a révélé l’importance des hétérogénéités microstructurales relatives à la proportion, taille, élongation et orientation moyennes des inclusions rigides présentes dans la matrice argileuse de la roche, sur la localisation des fissures hydriques. / This study is included in the issues of a nuclear waste storage in deep geological clay formations. It concerns the cracking phenomenon due to desaturation and saturation processes of the argillaceous medium on gallery walls of the Underground Laboratory of Tournemire (Aveyron, France). The work presented here aims to identify in laboratory the different mineralogical factors which control the cracking generated by humidity variations, coupling two methods: the Digital Image Correlation (DIC) and the Scanning Electron Microscopy (SEM).Two clay rock samples were submitted to swelling/shrinkage processes by fast bumps or gradual humidity variations. The DIC method enabled to reveal the influence of humidity and water content on crack widths and deformations intensity to different scales. This study highlighted the part of humidity variations on evolution and width of crack networks while comparing the results obtained by different conditions of humidity variations.A mineralogical map was investigated on a millimeter field with high resolution on two clay rock samples. It allowed to: quantify the microstructural anisotropy of the rock, and estimate the size of a representative elementary surface of a microstructural system composed of coarse grains and clay matrix, for argillaceous areas.The DIC-SEM approach has shown the closed relation between the location of microstructural heterogeneities such as local proportion of coarse grains and clay matrix, medium size, length ratio and orientation of coarse grains, with the position of the hydric cracks.